WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

МИНИХАНОВ

Ренат Фагилевич

ПОВЫШЕНИЕ эффективности
БУРОВОЙ УСТАНОВКИ С ВЕРХНИМ ПРИВОДОМ

Специальность 05.05.06 – «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный

горный университет»

Научный руководитель –

кандидат технических наук, доцент Шестаков Виктор Степанович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Боярских Геннадий Алексеевич

кандидат технических наук Эпштейн Валерий Ефимович

Ведущее предприятие – ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горного и обогатительного машиностроения
(НИПИгормаш)» (г. Екатеринбург).

Защита состоится _25_ декабря 2008 г. в _10_ часов на заседании

диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский

государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета

по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ГСП-126

.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан _____ ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета М. Л. Хазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В горной промышленности для водоотлива на карьерах и шахтах, для дегазации угольных пластов требуется бурить глубокие скважины. Для бурения таких скважин применяются тяжелые буровые установки (БУ), аналогичные тем, которые используются для проходки нефтяных и газовых скважин. При дегазации требуется создавать наклонные и горизонтальные скважины, эффективное проведение которых возможно только с использованием силового верхнего привода (СВП). По сравнению с установками, имеющими роторы, БУ с силовым верхним приводом обладают рядом преимуществ. Буровые установки для строительства скважин на горных предприятиях работают в условиях, существенно отличающихся от условий при строительстве нефтяных скважин. Так, глубины проходки скважин в условиях горных предприятий обычно меньше, поэтому и нагрузки на крюке меньше. Такие отличия должны учитываться при задании значений параметров основных систем БУ. В некоторых случаях для создания дегазационных скважин используются установки, которые были созданы для нефтяной промышленности и длительное время эксплуатировались там. Для таких случаев требуется оперативно определять настроечные параметры системы верхнего привода и спуско-подъемного комплекса. Таким образом, необходима методика, которая позволяла бы для конкретных условий эксплуатации определять требуемые параметры установки.

Установка предлагаемых фирмами – разработчиками систем верхнего привода на новых и на модернизированных существующих буровых установках выявила значительные колебания верхнего привода. Повышенные колебания приводят к преждевременному выходу из строя отдельных узлов, то есть понижается эффективность установок. В некоторых случаях приходилось останавливать работу и вносить дополнительные элементы в конструкцию СВП, причем параметры таких элементов зависят от БУ. Поэтому требуется проведение специальных исследований работы СВП, разработка методики проектирования конструкций СВП и расчета их параметров.

В процессе анализа работы действующих БУ выявилось еще несколько причин, приводящих к понижению эффективности. Так, в некоторых случаях не полностью используются возможности установленного привода, двигатели развивают меньший движущий момент, чем могли бы при точном определении возможных значений параметров. Это приводит к замедлению разгона и торможения, увеличению времени цикла и понижению производительности. Кроме того, возрастает износ канатов талевой системы, когда канат теряет первоначальную круглую форму поперечного сечения, принимая овальное сечение («сминается»). Исключив вышеуказанные недостатки, можно повысить надежность установки, уменьшить эксплуатационные затраты, то есть повысить эффективность работы БУ.

Повышение эффективности работы БУ является актуальной научно-технической задачей, отвечающей потребностям горного производства.

Объект исследования. Буровые установки для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения.

Предмет исследования – обоснование конструктивных и режимных параметров оборудования для буровых установок эксплуатационного и глубокого разведочного бурения.

Целью работы является повышение эффективности буровых установок за счет совершенствования систем верхнего привода и спуско-подъемного комплекса (СПК).

Идея работы заключается в повышении надежности и производительности за счет улучшения конструкции СВП и СПК.

Увеличение надежности СВП достигается исключением повышенных колебаний в процессе работы верхнего привода. Появление значительных колебаний вызвано явлением резонанса - совпадением частот собственных колебаний с частотами вынужденных. При проектировании СВП прорабатывается несколько вариантов конструкций и несколько вариантов исполнения сечений элементов каждой конструкции. Для каждого варианта определяются частоты собственных колебаний, и выбирается рациональный вариант, обладающий наименьшей массой и частотами, отличающимися от вынужденных.

Повышение производительности и надежности спуско-подъемного комплекса достигается изменением конструкций отдельных элементов и заданием рациональных параметров приводу и элементам механизма.

Методы исследований включают обобщение и анализ литературных источников, теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на законах физики и механики.

Научные положения, выносимые на защиту:

- при разработке конструкции устройства системы верхнего привода необходимо учитывать его динамические характеристики;

- методика расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки должна основываться на имитационных моделях рабочего процесса.

Научная новизна работы

  • Разработана и апробирована методика расчета основных параметров системы силового верхнего привода и системы гашения динамических колебаний.
  • Разработан алгоритм подбора системы силового верхнего привода с оптимальными соотношениями параметров к буровой установке.
  • Разработана методика расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки, основанная на использовании имитационной модели рабочего процесса.

Практическая ценность работы: разработаны методики проектирования и расчета параметров системы верхнего привода и спуско-подъемного комплекса.

Методика проектирования и расчета параметров системы верхнего привода позволяет получать конструкцию наименьшей массы и в то же время не приводящую к появлению значительных колебаний. Исключение колебаний снижает нагрузку на металлоконструкции, за счет чего повышается надежность. Разработанная конструкция внедрена на буровой установке «Уралмаш 3900/225» (заводской № 14700).

Методика расчета параметров СПК позволяет проводить исследования влияния значений параметров электромеханической системы на его основную функцию – обеспечение спуска буровой колонны в скважину и ее подъема, определять время отдельной операции наращивания колонны в процессе бурения, а также полное время сборки и разборки колонны.

В результате проведенных исследований разработаны предложения по улучшению конструкций.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных методов теоретической механики; использованием для анализа сертифицированного пакета расчета напряженно-деформированного состояния трехмерных конструкций Structure-3D; достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментов; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Разработанная конструкция системы верхнего привода с рациональными параметрами внедрена в 2006 году на установке «Уралмаш 3900/225 ЭК-БМ».

Апробация работы. Основные положения и содержание работы доложены и обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» - в 2006, 2007 гг. (г. Москва, МГГУ), на международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В. Р. Кубачека» - в 2005, 2006, 2008 гг. (г. Екатеринбург, УГГУ).

Личный вклад автора заключается:

- в разработке методики расчета параметров системы гашения динамических колебаний силового верхнего привода;

- в разработке методики расчета параметров спуско-подъемного комплекса буровой установки;

- в разработке алгоритма подбора системы силового верхнего привода с оптимальными соотношениями параметров к буровой установке.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей, в том числе 1 в ведущем рецензируемом научном журнале из Перечня рекомендованного ВАК РФ.

Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Содержание работы изложено на 157 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков и 16 таблиц. Библиографический список содержит 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрена буровая установка как сложный технический комплекс, состоящий из механизмов и оборудования и обеспечивающий с помощью бурового инструмента самостоятельное выполнение технологических операций по проводке скважин. Рассмотрено назначение устройств СВП и СПК, известные методики расчета их параметров.

Исследованию различных факторов (вид и мощность привода, ско­рость подъема, длина свечи, нагрузки на крюке, КПД и инерцион­ность системы в целом), влияющих в отдельности на машинное время tм и степень неполноты тахограммы при подъеме колонны буриль­ных труб, посвящены работы Архангельского В. Л., Моцехейна Б. И., Авакова А. В., Тарасевича В. И., Вирновского А. С. и др. Недостатком этих работ явля­ется невозможность их использования на стадии проектирования с целью оптимизации параметров СПК и сравнительной оценки эффектив­ности применяемых конструкторских решений.

Выполнен анализ и выявлены недостатки, присущие известным конструкциям и методикам расчета. Эффективность БУ определяется, в том числе, производительностью и надежностью входящих в нее систем.

При анализе работы СВП и СПК выявлено несколько причин, ухудшающих надежность. Так повышенный износ элементов привязки СВП вызывается появлением на некоторых режимах работы высоких колебаний. Надежность СПК понижается за счет преждевременного выхода из строя каната СПК. Выявлена также возможность повышения эффективности работы СПК за счет задания ему при проектировании рациональных параметров.

В результате анализа существующих устройств и известных методик были сформулированы следующие задачи исследования:

  • совершенствование методики расчета параметров при проектировании системы верхнего привода;
  • совершенствование методики расчета параметров при проектировании спуско-подъемного комплекса БУ;
  • разработка мероприятий для повышения эффективности и надежности буровых установок.

Во второй главе исследован рабочий процесс системы верхнего привода. На буровом станке «Уралмаш 3900/225» (заводской № 14700) установлена система силового верхнего привода Varco Sistems TDS-9S.

В начале эксплуатации обнаружился существенный недостаток колебания с большой амплитудой системы «буровой станок – СВП». Колебания были такой величины, что происходили удары по платформе верхнего рабочего. Появление больших колебаний объясняется тем, что частоты вынужденных колебаний при работе вращателя совпадают с собственными частотами системы привязки верхнего привода к мачте. При длительной работе в данных режимах эксплуатации неизбежно возникновение таких последствий, как выход из строя креплений неподвижной части.

Для выявления возможностей исключения колебаний за счет разработки соответствующих конструкций систем привязки и задания таким конструкциям рациональных параметров были проведены замеры амплитуд и частот. Для замеров был разработан специальный диагностический комплекс, состоящий из трех основных частей: направляющей с датчиками, контроллера и запоминающего устройства.

На направляющую СВП закреплены датчики ускорения, предназначенные для измерения ускорений по одной оси. Достаточно проводить замеры только по одной оси, так как колебания по другой несущественны. Измерения проводились при работе бурового станка на период бурения одной свечой. Длина свечи (свеча две трубы, соединенные вместе) составляет 25 метров. Всего было проведено 20 замеров. В среднем одно измерение длилось 2100 секунд. В результате замеров получено, что на уровне 23…24 метров от уровня пола буровой площадки возникает резкий рост амплитуды колебаний (временной промежуток 21,5…25 минут), частота

колебаний 1…1,2 Гц.

В результате измерений были зафиксированы резонансные зоны при работе СВП. Для исключения работы системы в неблагоприятных динамических режимах предлагается изменить конструкцию неподвижной части СВП путем установки дополнительных балок. Дополнительные балки повысят жесткость системы, и как следствие собственные частоты примут другие значения, не совпадающие с частотами вынужденных колебаний.

В третьей главе разработана методика расчета основных параметров СВП и системы гашения динамических колебаний. Методика включает алгоритм подбора СВП к буровому станку.

Максимальный положительный эффект применения верхнего привода достигается при корректном подборе, т.е. при оптимальном соотношении параметров. В противном случае совместная работа систем малоэффективна, а в некоторых случаях небезопасна. СВП необходимо подбирать к конкретным буровым станкам и на конкретные условия бурения.

Алгоритм подбора параметров силового верхнего привода к буровой установке обеспечивает выбор наиболее перспективного по технико-экономическим показателям варианта из имеющихся в базе данных. Подбор СВП осуществляется по грузоподъемности; крутящему моменту, передаваемому на буровую колонну; диапазону диаметров используемых труб; давлению бурового раствора, подаваемого в скважину; длине компоновки.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»